CN114813402A - 一种真三轴冲击加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真三轴冲击加载装置，涉及岩石压裂试验设备技术领域。包括框架，框架下部设有真三轴加载装置，上部设有冲击加载装置，顶部安装有顶板；真三轴加载装置包括底座、加载油缸、空心油缸、过渡重锤和第二横梁，底座设置于所述框架底部，试件放置于所述底座上，冲击加载装置包括立柱、第一横梁、伸缩柱、蓄能弹簧、蓄能控制油缸、第一电磁体、第二电磁铁、重锤和升降油缸。本发明提供的真三轴冲击加载装置，通过设置真三轴加载装置和冲击加载装置分别对试件施加静载和冲击载荷，实现了对同一煤岩体进行动态与静态同步加载的试验目的，具有灵活控制、操作方便等优点。

Description

一种真三轴冲击加载装置

技术领域

本发明涉及岩石压裂试验设备技术领域，具体涉及一种真三轴冲击加载装置。

背景技术

随着浅层煤炭资源的减少，矿山开采深度的不断增加，大部分矿井进入了深部开采状态，一些矿井开采深度超过1500m。在深部开采中，岩体处于“三高一扰动”的复杂力学环境中，矿山压力规律与浅部明显不同，其中以冲击地压为代表的煤岩动力学灾害给矿井安全开采带来了新的挑战。深部开采条件下冲击矿压发生的频率与强度远高于浅部开采，所造成的人员伤亡与经济损失也呈现重大恶性事故特点，因此必须引起人们的关注与重视。

目前实验室主要在动态力学试验机上进行试验，在静态力学实验中通常使用MTS材料力学试验机，该试验机可完成静力学试验、常温常压试验、高温高压试验、破坏力学试验等。在动载实验设备方面先后发展了落锤、轻气炮和霍普金斯压杆。但是以上都只能进行单一静载或者动载实验，现实中冲击地压的产生原因多是由于动静载共同作用，从而导致煤岩体失稳破坏。为此，亟需研究发明一种真三轴冲击加载装置，以模拟煤岩动力学灾害发生时，应力环境特征与演化过程，为冲击地压机理的研究提供依据。

发明内容

本发明主要目的在提供一种真三轴冲击加载装置，以解决目前只存在单独作用的冲击加载装置与真三轴加载装置的问题。

为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：

一种真三轴冲击加载装置，包括框架，所述框架下部设有真三轴加载装置，上部设有冲击加载装置，顶部安装有顶板；

所述真三轴加载装置包括底座、加载油缸、空心油缸、过渡重锤和第二横梁，所述底座设置于所述框架底部，试件放置于所述底座上，所述加载油缸设置于所述框架内壁上，端部设有第一压头且位于试件四周，所述空心油缸底部位于试件上方，顶部设置于所述第二横梁底部，所述第二横梁设置于所述框架内壁上，第二横梁中间部位设有开口，所述过渡重锤设置于空芯油缸内部，顶部贯穿所述第二横梁的开口，底部设有第二压头；

所述冲击加载装置包括立柱、第一横梁、伸缩柱、蓄能弹簧、蓄能控制油缸、第一电磁体、第二电磁铁、重锤和升降油缸，所述立柱设置于所述顶板与第二横梁之间，所述第一横梁滑动设置于所述立柱上，所述伸缩柱设置于所述顶板与第一横梁之间，所述蓄能弹簧套设于所述伸缩柱上，所述蓄能控制油缸设置于所述顶板底部，所述第一电磁体设置于所述蓄能控制油缸底部，所述第二电磁铁设置于所述第一横梁顶部且与所述第一电磁体对应设置，所述重锤设置于所述第一横梁底部，端部设有第三压头，所述升降油缸设置于所述第二横梁顶部。

进一步的，还包括监测系统，所述监测系统包括载荷传感器、位移传感器和载荷位移一体化传感器，所述载荷传感器设置于所述重锤与第三压头之间，所述位移传感器设置于第一横梁与第二电磁铁之间，所述载荷位移一体化传感器设置于所述加载油缸与第一压头之间、过渡重锤与第二压头之间。

进一步的，所述立柱、蓄能控制油缸和升降油缸数量均为两个，所述蓄能控制油缸、升降油缸位于两个立柱内侧，所述伸缩柱位于两个蓄能控制油缸内侧中间位置，所述重锤位于两个升降油缸内侧中间位置。

进一步的，所述立柱下部套设有减震弹簧，所述减震弹簧顶部设有防护垫，底部与所述第二横梁接触。

进一步的，所述防护垫上端面与第二横梁之间的距离大于第一横梁的最大冲击位移。

进一步的，还包括控制系统，所述监测系统、蓄能控制油缸、加载油缸、第一电磁铁、第二电磁铁和升降油缸均与所述控制系统连接。

一种真三轴冲击加载装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、根据蓄能弹簧的劲度系数和设计弹性能量值确定蓄能弹簧压缩变形量，通过压缩变形量确定蓄能控制油缸与升降油缸的行程，

S2、开启升降油缸抬升第一横梁的高度，压缩蓄能弹簧使其变形获取弹性变形能，接通第一电磁铁和第二电磁铁，使得第一横梁上的第二电磁铁与顶板底部的第一电磁铁相连，从而固定第一横梁，通过位移传感器获得蓄能弹簧的压缩变形量，随后将升降油缸恢复到初始位置，

S3、安放试件，将试件放置于底座上，通过四个加载油缸对试件施加水平方向静载，载荷位移一体化传感器记录监测位移与载荷的数据，同时通过空心油缸控制过渡重锤对试件上表面施加静载，

S4、当加载油缸对试件加载至设定载荷后，对第一电磁铁、第二电磁铁进行断电，此时第一横梁会向下运动，第一横梁带动重锤对过渡重锤施加冲击，过渡重锤对试件施加冲击，试件受到冲击破坏，

S5、加载油缸停止加载，试件卸压，对监测到的数据进行储存，通过收集到的数据进行处理得到试件受到的静载和冲击载荷的大小以及破坏的过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过设置真三轴加载装置和冲击加载装置分别对试件施加静载和冲击载荷，同时完成静载和动载实验，实现了对同一煤岩体进行动态与静态同步加载的试验目的，具有灵活控制、操作方便等优点，可以更好的模拟煤岩动力学灾害发生时，应力环境特征与演化过程，从而为冲击地压机理的研究提供依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明本发明中真三轴加载装置的水平方向剖视图。

其中，1-蓄能弹簧、2-蓄能控制油缸、3-第一电磁铁、4-重锤、5-第三压头、6-载荷传感器、7-升降油缸、8-过渡重锤、9-试件、10-底座、11-伸缩柱、12-框架、13-立柱、14-位移传感器、15-第一横梁、16-防护垫、17-减震弹簧、18-第二横梁、19-空芯油缸、20-载荷位移一体化传感器、21-加载油缸，22-第二压头。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

结合图1至图2，本发明提供一种真三轴冲击加载装置，包括框架12，所述框架12下部设有真三轴加载装置，上部设有冲击加载装置，顶部安装有顶板；

所述真三轴加载装置包括底座10、加载油缸21、空心油缸19、过渡重锤8和第二横梁18，所述底座10设置于所述框架12底部，试件9放置于所述底座10上，所述加载油缸21设置于所述框架12内壁上，端部设有第一压头且位于试件9四周，所述空心油缸19底部位于试件9上方，顶部设置于所述第二横梁18底部，所述第二横梁18设置于所述框架12内壁上，第二横梁18中间部位设有开口，所述过渡重锤8设置于空芯油缸内部，顶部贯穿所述第二横梁18的开口，底部设有第二压头22；本实施例中，加载油缸21数量为四个，试件9水平方向四个面由加载油缸21进行施加静载，试件9顶部的面由空心油缸19控制过渡重锤8进行施加静载。真三轴加载装置，可以模拟岩石在地下储存真实受力状态。由于实际工程岩体在地下具有复杂的受力状态，三个主应力之间存在很大差异，所述的真三轴加载装置，能够更好的还原地下煤岩的真实受力状态，可以实现对煤岩施加不同方向的主应力和冲击扰动，有助于更好的研究煤岩在真实地理环境下的受力破坏规律。

所述冲击加载装置包括立柱13、第一横梁15、伸缩柱11、蓄能弹簧1、蓄能控制油缸2、第一电磁体3、第二电磁铁、重锤4和升降油缸7，所述立柱13设置于所述顶板与第二横梁18之间，所述第一横梁15滑动设置于所述立柱13上，所述伸缩柱11设置于所述顶板与第一横梁15之间，所述蓄能弹簧1套设于所述伸缩柱11上，所述蓄能控制油缸2设置于所述顶板底部，所述第一电磁体3设置于所述蓄能控制油缸2底部，所述第二电磁铁设置于所述第一横梁15顶部且与所述第一电磁体3对应设置，所述重锤4设置于所述第一横梁15底部，端部设有第三压头5，所述升降油缸7设置于所述第二横梁18顶部。本实施例中，冲击加载装置可以对试件9施加动态载荷，使用时，升降油缸7进行抬升使得第一横梁15向上运动，对伸缩柱11上的蓄能弹簧1进行压缩，直至第一横梁15上的第二电磁铁与蓄能控制油缸2底部的第一电磁体3相吸连接，从而使得第一横梁15固定连接于顶板上，随后升降油缸7回缩下降至初始位置；当需要对试件9施加动态载荷时，对第二电磁铁和第一电磁体3进行断电，使得第一横梁15与顶板断开连接，此时第一横梁15会迅速向下运动，第一横梁15顶部的重锤4会对过渡重锤8施加冲击，从而过渡重锤8对试件施加冲击，完成动态载荷的施加。

矿井下的煤岩，不仅受到上层顶板压力，还会受到顶板断裂、人工放炮等不同程度下的扰动作用，有必要对煤岩在动静组合加载下的破坏特性进行研究。设计了冲击加载装置，在静载荷加载的基础上，对煤岩施加冲击扰动，利用试验的方法，探究煤岩在组合加载下的破坏特性，为冲击地压的防治，提供数据支撑。

优选的，还包括监测系统和控制系统，所述监测系统包括载荷传感器6、位移传感器14和载荷位移一体化传感器20，所述载荷传感器6设置于所述重锤4与第三压头5之间，用于测量重锤4施加的动态载荷；所述位移传感器14设置于第一横梁15与第二电磁铁之间，用于测量蓄能弹簧1的压缩变形量；所述载荷位移一体化传感器20设置于所述加载油缸21与第一压头之间、过渡重锤8与第二压头22之间，用于测量载重和位移。本实施例中，所述监测系统、蓄能控制油缸2、加载油缸21、第一电磁铁、第二电磁铁和升降油缸7均与所述控制系统连接，控制系统为控制器，对监测系统的传输的数据进行存储和处理，对蓄能控制油缸2、加载油缸21、第一电磁铁、第二电磁铁和升降油缸7进行开闭控制。

优选的，所述立柱13、蓄能控制油缸2和升降油缸7数量均为两个，所述蓄能控制油缸2、升降油缸7位于两个立柱13内侧，所述伸缩柱11位于两个蓄能控制油缸2内侧中间位置，所述重锤4位于两个升降油缸7内侧中间位置。

优选的，所述立柱13下部套设有减震弹簧17，所述减震弹簧17顶部设有防护垫16，底部与所述第二横梁18接触。减震弹簧17可对突然下降的第一横梁15起到缓冲减重作用，防护垫16可以对减震弹簧17起到保护作用。

优选的，所述防护垫16上端面与第二横梁18之间的距离大于第一横梁15的最大冲击位移。

实施例2

一种真三轴冲击加载装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、根据蓄能弹簧1的劲度系数和设计弹性能量值确定蓄能弹簧1压缩变形量，通过压缩变形量确定蓄能控制油缸2与升降油缸7的行程，

S2、开启升降油缸7抬升第一横梁15的高度，压缩蓄能弹簧1使其变形获取弹性变形能，接通第一电磁铁和第二电磁铁，使得第一横梁15上的第二电磁铁与顶板底部的第一电磁铁相连，从而固定第一横梁15，通过位移传感器14获得蓄能弹簧1的压缩变形量，随后将升降油缸7恢复到初始位置，

S3、安放试件，将试件放置于底座10上，通过四个加载油缸21对试件施加水平方向静载，载荷位移一体化传感器20记录监测位移与载荷的数据，同时通过空心油缸19控制过渡重锤8对试件上表面施加静载，

S4、当加载油缸21对试件加载至设定载荷后，对第一电磁铁、第二电磁铁进行断电，此时第一横梁15会向下运动，第一横梁15带动重锤4对过渡重锤8施加冲击，过渡重锤8对试件施加冲击，试件受到冲击破坏，

S5、加载油缸21停止加载，试件卸压，对监测到的数据进行储存，通过收集到的数据进行处理得到试件受到的静载和冲击载荷的大小以及破坏的过程。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，包括框架，所述框架下部设有真三轴加载装置，上部设有冲击加载装置，顶部安装有顶板；

所述真三轴加载装置包括底座、加载油缸、空心油缸、过渡重锤和第二横梁，所述底座设置于所述框架底部，试件放置于所述底座上，所述加载油缸设置于所述框架内壁上，端部设有第一压头且位于试件四周，所述空心油缸底部位于试件上方，顶部设置于所述第二横梁底部，所述第二横梁设置于所述框架内壁上，第二横梁中间部位设有开口，所述过渡重锤设置于空芯油缸内部，顶部贯穿所述第二横梁的开口，底部设有第二压头；

所述冲击加载装置包括立柱、第一横梁、伸缩柱、蓄能弹簧、蓄能控制油缸、第一电磁体、第二电磁铁、重锤和升降油缸，所述立柱设置于所述顶板与第二横梁之间，所述第一横梁滑动设置于所述立柱上，所述伸缩柱设置于所述顶板与第一横梁之间，所述蓄能弹簧套设于所述伸缩柱上，所述蓄能控制油缸设置于所述顶板底部，所述第一电磁体设置于所述蓄能控制油缸底部，所述第二电磁铁设置于所述第一横梁顶部且与所述第一电磁体对应设置，所述重锤设置于所述第一横梁底部，端部设有第三压头，所述升降油缸设置于所述第二横梁顶部。

2.如权利要求1所述的一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，还包括监测系统，所述监测系统包括载荷传感器、位移传感器和载荷位移一体化传感器，所述载荷传感器设置于所述重锤与第三压头之间，所述位移传感器设置于第一横梁与第二电磁铁之间，所述载荷位移一体化传感器设置于所述加载油缸与第一压头之间、过渡重锤与第二压头之间。

3.如权利要求1所述的一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，所述立柱、蓄能控制油缸和升降油缸数量均为两个，所述蓄能控制油缸、升降油缸位于两个立柱内侧，所述伸缩柱位于两个蓄能控制油缸内侧中间位置，所述重锤位于两个升降油缸内侧中间位置。

4.如权利要求1所述的一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，所述立柱下部套设有减震弹簧，所述减震弹簧顶部设有防护垫，底部与所述第二横梁接触。

5.如权利要求4所述的一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，所述防护垫上端面与第二横梁之间的距离大于第一横梁的最大冲击位移。

6.如权利要求2所述的一种真三轴冲击加载装置，其特征在于，还包括控制系统，所述监测系统、蓄能控制油缸、加载油缸、第一电磁铁、第二电磁铁和升降油缸均与所述控制系统连接。

7.一种真三轴冲击加载装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据蓄能弹簧的劲度系数和设计弹性能量值确定蓄能弹簧压缩变形量，通过压缩变形量确定蓄能控制油缸与升降油缸的行程，

S2、开启升降油缸抬升第一横梁的高度，压缩蓄能弹簧使其变形获取弹性变形能，接通第一电磁铁和第二电磁铁，使得第一横梁上的第二电磁铁与顶板底部的第一电磁铁相连，从而固定第一横梁，通过位移传感器获得蓄能弹簧的压缩变形量，随后将升降油缸恢复到初始位置，

S3、安放试件，将试件放置于底座上，通过四个加载油缸对试件施加水平方向静载，载荷位移一体化传感器记录监测位移与载荷的数据，同时通过空心油缸控制过渡重锤对试件上表面施加静载，

S4、当加载油缸对试件加载至设定载荷后，对第一电磁铁、第二电磁铁进行断电，此时第一横梁会向下运动，第一横梁带动重锤对过渡重锤施加冲击，过渡重锤对试件施加冲击，试件受到冲击破坏，

S5、加载油缸停止加载，试件卸压，对监测到的数据进行储存，通过收集到的数据进行处理得到试件受到的静载和冲击载荷的大小以及破坏的过程。

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